孔令軍，趙祥麟，劉廣龍

(金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院，甘肅 金昌 737100)

1 引言

近年來，隨著紅土礦火法冶煉鎳鐵合金規(guī)模逐步擴(kuò)大，紅土鎳礦冶煉鎳鐵廢渣(簡稱鎳鐵渣)的排放量逐漸增多[1]。2011年我國全年鎳鐵合金產(chǎn)量達(dá)25萬噸(含鎳量)[2]，伴隨產(chǎn)生的固體廢渣超過1500萬噸，2015年，預(yù)計(jì)鎳鐵渣的總排放量將接近一億噸，超過銅渣、錳渣等冶金渣的排放總量，約占到冶金渣總排放量的五分之一。與其它冶金渣相比，鎳鐵渣有價(jià)金屬回收價(jià)值低，排渣量大，已逐步成為冶金廢渣處理的一大難題。大量電爐冶煉鎳鐵渣的堆置和填埋，不僅占用土地、污染環(huán)境，還給鎳鐵冶煉的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。所以，鎳鐵冶煉行業(yè)急需為解決鎳鐵冶煉渣的“開路”問題進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的綜合利用研究。鎳鐵冶煉廢棄渣的綜合利用研究，將為全國范圍乃至全球大量的鎳鐵冶煉廢棄渣的無害化、資源化處理提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 電爐鎳鐵冶煉渣的組成

目前國內(nèi)鎳鐵渣絕大多數(shù)是腐殖土型的紅土礦在電爐還原熔煉鎳鐵的工藝過程中產(chǎn)生的，其原料和生產(chǎn)工藝基本相同，所以不同廠家產(chǎn)生電爐鎳鐵冶煉渣的組成基本相同，其主要成分是FeO，MgO和SiO2，次要成分是 Al2O3、Cr2O3、CaO 等，屬于 FeO－MgO－SiO三元渣系，經(jīng)SEM、MLA、XRD等檢測(cè)表明，其主要的礦物組成是2FeO·SiO2、FeO·SiO2和MgO·SiO2。電爐鎳鐵冶煉渣的典型化學(xué)成分、礦物組成如表1、表2所示。

表1 電爐冶煉鎳鐵渣的化學(xué)成分(%)

表2 電爐冶煉鎳鐵渣的礦物組分(%)

3 鎳鐵渣綜合利用的主要影響因素

(1)鎳鐵渣中可回收有價(jià)金屬較少。鎳鐵渣中主要成分硅和鎂的回收成本較高，相對(duì)其它冶金渣而言，綜合利用渠道較少，目前對(duì)鎳鐵渣綜合利用研究的主要方向多數(shù)集中在建材方面。

(2)鎂高、鈣低的特點(diǎn)導(dǎo)致鎳鐵渣活性較低，穩(wěn)定性較差。鎳鐵渣不同于鋼渣、高爐渣、錳渣等冶金廢渣，鎳鐵渣硅、鎂高、鈣低的特點(diǎn)對(duì)其在建材方面的應(yīng)用研究提出了新的難題。其含鎂量約在30%(MgO)左右，對(duì)鎳鐵渣建材可能存在的溶脹性形成了極大的影響;活性指數(shù)低于50%，嚴(yán)重制約鎳鐵渣膠凝性。

表3 鎳鐵渣活性試驗(yàn)

(3)含鉻較高。鎳鐵渣組分中，鉻含量在1%(Cr2O3)左右，6價(jià)鉻是冶金渣綜合處理過程中環(huán)保評(píng)價(jià)的一個(gè)重要因素，因此在鎳鐵渣綜合處理過程必須重視6價(jià)鉻的浸出問題。

(4)磨細(xì)能耗大。易磨性檢測(cè)結(jié)果表明，鎳鐵渣較石英石和水泥熟料的易磨性差，在磨細(xì)過程中能耗較大，成本高，這是影響鎳鐵渣綜合利用經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要因素。

表4 鎳鐵渣易磨性試驗(yàn)

(5)國內(nèi)鎳鐵渣綜合利用研究的重視程度較低。國內(nèi)鎳鐵冶煉產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展集中于近幾年時(shí)間，鎳鐵渣綜合利用研究起步較晚;其生產(chǎn)企業(yè)多為民營企業(yè)，投入的科研力量不足。所以，鎳鐵渣的綜合利用研究在國內(nèi)還沒有得到足夠的重視。

4 鎳鐵渣綜合利用研究現(xiàn)狀和研究成果

目前，鎳鐵渣的的處理方式主要以堆存和填埋為主，對(duì)鎳鐵渣的綜合利用處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，研究內(nèi)容主要集中于建材原料和礦物棉等方面。

4.1 鎳鐵渣生產(chǎn)水泥混合材

上世紀(jì)80年代初期、前蘇聯(lián)、日本、希臘等國家就開始了對(duì)鎳鐵渣的性能以及在水泥原料、混凝土原料、微晶玻璃等方面的綜合利用研究和應(yīng)用[3－6]，日本在上世紀(jì)90年代就成功地將鎳鐵渣應(yīng)用于混凝土骨料[7]。我國對(duì)鎳鐵渣綜合利用研究開始于近幾年，鄒立撰寫的《利用鎳鐵渣引入氧化鎂在立窯上的應(yīng)用》[8]、王熔蘭等撰寫的《短流程鎳鐵生產(chǎn)工藝中含鎳廢渣的處置研究》[9]、萬朝均等撰寫的《鎳鐵合金礦熱爐渣輔助膠凝材料的制備與性能》[10]等文獻(xiàn)表明，鎳鐵渣在細(xì)磨至微粉后，可添加至水泥熟料中做水泥混合材，按照硅酸鹽水泥國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，其添加量可達(dá)8%。段光福[11]等在鎳鐵渣制備水泥混合材的研究中表明，鎳鐵渣具備火山灰活性，在水泥中添加量可達(dá)30%。金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院在鎳鐵渣制備水泥混合材的研究過程中發(fā)現(xiàn)，鎳鐵渣研磨至與水泥熟料相同的粒度時(shí)，雖然其活性指標(biāo)達(dá)不到GB/T18046－2008《用于水泥和混凝土中的?；郀t高爐礦渣粉》要求，但鎳鐵渣粉在水泥中添加量達(dá)到25%時(shí)，水泥各項(xiàng)指標(biāo)符合P.O32.5水泥的要求。

表5 鎳鐵渣粉水泥混合材試驗(yàn)

4.2 鎳鐵渣制作礦物棉

何其捷摘譯蘇聯(lián)的《鎳鐵渣制作礦物棉》[12]文獻(xiàn)表明，由于鎳鐵渣的化學(xué)組成和物相組成接近輝石，含60%(SiO2+Al2O3)左右的鎳鐵渣在高溫時(shí)粘結(jié)性較強(qiáng).在生產(chǎn)溫度范圍內(nèi)鎳鐵渣溶體具有很高的成纖特性，通過垂直噴吹法和離心噴吹法不需添加爐料便可獲得鎳鐵渣纖維。鎳鐵渣纖維的耐熱性為700℃，比高爐渣纖維高100℃，鎳鐵渣纖維在腐蝕介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性也比高爐渣纖維高，這樣使以鎳鐵渣纖維為主的礦棉制品的耐久性提高，比高爐渣礦物纖維具有更好的應(yīng)用前景。

圖1 鎳鐵渣礦物棉制造工藝流程

5 鎳鐵渣綜合利用的發(fā)展方向

依據(jù)鎳鐵渣物化特性，開發(fā)摻和量大、產(chǎn)品市場空間大、低污染、低成本、低能耗、短流程的電爐鎳鐵冶煉渣處理新工藝與裝備及其高效控制技術(shù)，努力使鎳鐵渣的綜合利用變?yōu)橛欣蓤D的環(huán)保產(chǎn)業(yè)，是今后鎳鐵渣綜合利用的必然趨勢(shì)。

5.1 鎳鐵渣制備海底工程建筑材料或填海物料

鎳鐵渣是紅土鎳礦在高溫還原熔煉提取鎳鐵后的廢渣，具備一定的抗腐蝕性能和無害性，在對(duì)防腐和毒性浸出要求比較高的海底工程建筑材料和填海物料的應(yīng)用方面具備一定的潛力。

5.2 鎳鐵渣制備混凝土砌塊、蒸壓磚、耐火磚、微晶玻璃等其他建筑材料

因鎳鐵渣與高爐水渣具備相似的冶煉工藝和物化特性，可以借鑒高爐水渣的綜合利用成果，代替粘土、砂石或部分水泥用作膠凝材料或骨料，用鎳鐵渣制備混凝土砌塊、蒸壓磚、微晶玻璃等產(chǎn)品;利用鎳鐵渣中鎂含量高的特點(diǎn)，開發(fā)鎳鐵渣在耐火磚、保溫材料等方面的應(yīng)用。

5.3 代替碎石做筑路材料與地基回填材料

鎳鐵渣具有比重大、抗壓強(qiáng)度高、耐磨、抗化學(xué)侵蝕性、抗滑等性能，是良好的道路材料和鐵路道碴材料。

5.4 建立鎳鐵渣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及環(huán)境安全評(píng)價(jià)體系

鎳鐵渣可能成為一種新型的建材原料，鎳鐵渣水泥、鎳鐵渣磚、鎳鐵渣混凝土等產(chǎn)品必須經(jīng)過相關(guān)的環(huán)保評(píng)價(jià)才能走向市場，建立技術(shù)和環(huán)保評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是今后鎳鐵渣能否實(shí)現(xiàn)高效綜合利用的關(guān)鍵。

6 結(jié)語

鎳鐵渣綜合利用具有良好的環(huán)保效益和社會(huì)效益，根據(jù)鎳鐵渣固有的物化性能對(duì)鎳鐵渣綜合利用進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃和研究，生產(chǎn)出不同層次的產(chǎn)品，形成鎳鐵渣產(chǎn)品系列，最大限度地利用鎳鐵渣，減少廢棄渣量，是今后鎳鐵生產(chǎn)企業(yè)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

[1]肖安雄摘譯.美國金屬雜志對(duì)世界有色金屬冶煉廠的調(diào)查第三部:鎳紅土礦[J].中國有色冶金.2008(4):1－5.

[2]許保見.我國鎳鐵行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀.中國金屬通報(bào)[J].2011(14):20－21.

[3]Ioannis Maragkos，Ioanna P.Giannopoulou，.Synthesis of ferronickel slag－ based geopolymers[J].Minerals Engineering ，2009(2):196－203.

[4]B.Kh.Khan，I.A.Kravchenko.Crystallization properties of glasses based on ferronickel slag[J].Steklo i Keramika，1985(2):4－6.

[5]M.V.Vlasova.Grinding slag from ferro－ nickel process:some properties of the disperse system[J].Powder Technology，2002(124):101－105.

[6]Izet Ibrahimi，Musa Rizaj，Agim Ramadani.Research the possibility of transforming the ferronickel slag in the product with the economical and environmental importance[J].Environmental Application ＆ Science，2010(2):276－281.

[7]KatsuroKokubu.Guidelines for construction using ferronickel slag fine aggregate concrete[Z].Japan:JSCE，1994.

[8]鄒立.利用鎳鐵渣引入氧化鎂在立窯上的應(yīng)用[J].四川水泥.2008(5):31－32.

[9]王熔蘭.短流程鎳鐵生產(chǎn)工藝中含鎳廢渣的處置研究[J].四川冶金.2008(2):58－59.

[10]萬朝均等.鎳鐵合金礦熱爐渣輔助膠凝材料的制備與性能[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào).2010(1):119－123.

[11]段光福等.江西某紅土鎳礦冶煉爐渣作水泥混合材[J].金屬礦山.2012(11):159－162.

[12]何其捷譯.鎳鐵渣制作礦物棉[J].玻璃纖維.1990(4):35.